В конце прошлой недели мы писали о том, что на Международной космической станции установили магнитный альфа-спектрометр стоимостью более 2 млрд. долларов и массой более 7 тонн. Таким образом, этот спектрометр стал самым дорогим экспериментальным прибором на борту станции. На орбиту его доставил космический челнок «Индевор» , что явилось основной миссией его последнего полета.

Остановимся теперь на истории создания этого уникального прибора и целях, которые при этом преследовали его разработчики.

Спектрометр, названный AMS-2, явился логическим завершением программы, начатой запуском его прототипа в 1998 году. Этот прототип, названный AMS-1, показал высокие результаты и раскрыл потенциал подобных исследований. Альфа-спектрометр – результат сотрудничества организаций и ученых из 16 стран. Руководит проектом нобелевский лауреат Сэмюэл Тинг. Благодаря этому проекту более 600 ученых по всему миру смогут получить ценнейшие данные при помощи этого уникального детектора частиц.

По словам Трента Мартина, руководящего проектом со стороны NASA, такое сотрудничество становится все более обычным в наши дни. Однако, «AMS – проект, финансирование которого является особенно разнообразным». Он также выразил надежду, что этот проект усилит дальнейшее сотрудничество в сообществе ученых, заинтересованных в проведении экспериментов в космосе.

Работа над альфа-спектрометром началась в 1994 году. Центр космических полетов имени Джонсона в Хьюстоне начал разработки по схожей тематике. Их задачей было выяснить, можно ли использовать столь точный и чувствительный инструмент в космосе для получения надежных данных.

О трудностях, связанных с особенностями космического пространства, рассказывает Кен Боллвег, заместитель руководителя проектов NASA. «Детектирующие элементы, используемые в подобных приборах, обычно те же, что используются при подземных работах. Но там температура не меняется более чем на два градуса в течение года, а опора не двигалась уже тысячелетия. Эксперименты с таким оборудованием, а также их техническая спецификация показали, что приспособить их к работе в космосе – не простая задача, но все же – разрешимая».

Работа уже над созданием AMS началась в 1995 году. Первая же трудность, с которой столкнулись разработчики – ограничения, которые всегда накладывает космос. Прибор должен быть небольшим и максимально легким, чтобы его можно было доставить на орбиту при помощи существующих ракет-носителей. Он также должен иметь небольшую мощность, которую могут обеспечить солнечные панели. Например, изначально планировалось использовать постоянный магнит массой 2 тонны, тогда как магниты в аналогичных установках на земле весят около 10000 тонн.

В июне 1998 года прототип альфа-спектрометра был доставлен на станцию «Мир»  экипажем STS-91. Этот полет и дальнейшее тестирование на станции прошли успешно. Принимая этот результат во внимание, а также учитывая, что к 2001 году новая станция вряд ли была бы готова к установке спектрометра, было принято решение о его модификации.

В работе над новым проектом AMS-2 приняли участие 500 ученых из 56 организаций.

Проблемы, с которыми приходилось сталкиваться разработчикам, хорошо иллюстрирует достижение, которое вначале считалось одним из основных в процессе модернизации. Им стала установка более мощного сверхпроводящего магнита. Чувствительность спектрометра была значительно повышена, однако, вскоре обнаружились аномальные эффекты нагрева магнита. Это, в свою очередь, привело к более жестким требованиям к системе охлаждения. В результате, снизился срок службы магнита, а значит, и всего спектрометра. После того, как президент США Барак Обама объявил о том, что работа МКС будет продлена, оказалось, что установка сверхпроводящего магнита нецелесообразна. От него пришлось отказаться, вернувшись к первоначальному постоянному магниту. В этом случае срок службы спектрометра составит 10-18 лет вместо 3 лет при использовании сверхпроводящего магнита. После долгих колебаний было решено отказаться от большей чувствительности ради большего срока службы. И это – лишь одна из проблем, которые пришлось решать создателям спектрометра.

В течение нескольких лет продолжалась аналогичная работа по подбору, проверке и тестированию оборудования. В декабре 2001 года летные испытания прошел синхротронный датчик излучения, была разработана новая система крепления для более тяжелого, по сравнению с AMS-1, прибора. Тестирование проходило до самого последнего момента. Например, система передачи данных, специально разработанная NASA для этого проекта, была доставлена на борт МКС в феврале этого года. Это позволило проверить ее до установки спектрометра.

Прибор был готов в 2007 году. В конце года он был направлен в CERN, недалеко от Женевы, где в течение двух лет проводились испытания, включавшие воздействие мощных потоков радиоактивных частиц, созданных при помощи ускорителя частиц CERN. 16 февраля 2010 года AMS-2 был доставлен в ESTEC (Европейский центр космических технологий и разработок) в Нидерландах, где проводились тесты по воздействию на прибор условий вакуума и электромагнитного излучения. Доставка AMS-2 в Космический центр Кеннеди была запланирована на май 2010 года, однако была отложена из-за дополнительного тестирования в CERN.

Результатом этой громадной работы стал крупнейший на МКС прибор. Основные направления экспериментов, для которых он был создан, следующие:

AMS-2 позволит провести важные эксперименты, которые помогут понять природу антиматерии. Для того, что бы доказать существование антиматерии, необходимо обнаружение атомов антигелия. В 1999 году при помощи AMS-1 удалось достичь нового предела отношения атомов антигелия к гелию во Вселенной в 10^-6. AMS-2 позволит улучшить эту точность на три порядка.

Другим пока еще неясным вопросом, разрешить который поможет AMS-2, является темная материя. Наиболее популярным в научном сообществе носителем темной материи на данный момент является гипотетическая частица нейтралино. Если эти частицы существуют, они должны сталкиваться друг с другом. В результате столкновений должны появляться заряженные частицы, которые могут быть зафиксированы при помощи AMS-2. Любые пики в распределении поступающих позитронов, антипротонов и гамма лучей могут сигнализировать о существовании нейтралино или других частиц-носителей темной материи. Однако эти пики необходимо отличать от все еще плохо изученных астрофизических сигналов.

AMS-2 поможет ответить на вопрос, существует ли материя, состоящая из странглетов. Эти частицы могут иметь чрезвычайно большую массу и малое отношение заряда к массе. Это может быть совершенно новой формой материи.

Точное измерение космического излучения позволит увеличить безопасность пилотируемых полетов. AMS-2 будет работать на МКС в течение как минимум 3 лет, что позволить собрать значительный массив данных и изучить вариации в космическом излучении на большом интервале времени и в большом энергетическом диапазоне.

AMS-2 является самым современным прибором для детектирования заряженных частиц и предоставит большие возможности физикам. Исследования, которые будут проведены благодаря данным, полученным AMS-2, позволят лучше понять природу Вселенной.